季节性冻土路基冻胀性分析及治理措施

季节性冻土指地表冬季冻结而在夏季又全部融化 的土 。我国长江流域以北气温普遍较低 ,季节性冻土 分布广泛 。在这些地区修筑铁路时 ,如果不对季节性 冻土进行处理 ,铁路运营后经常会出现路基翻浆冒泥 、 道砟陷槽 、下沉外挤等病害 ,不仅增加了养护维修工 作 ,还威胁行车安全 ,影响正常行车 。因此 ,在铁路建 设阶段对季节性冻土路基采取有效治理措施很有必 要。
收稿日期 :2008210215 ;修回日期 :2009201210 作者简介 :钟敏辉 (1968 — ) ,男 ,陕西风翔人 ,助理工程师 。
融化 ,土体随之下陷 ,即出现融陷现象 。土的冻胀现象 和融陷现象是季节性冻土的特性 ,也就是土的冻胀 性[1] 。
2 影响地基土冻胀性的主要因素
影响地基土冻胀性的首要因素是气温 。除气温条 件外 ,影响地基土冻胀性主要因素有三个 :土的类别 、 冻前含水量和地下水位[223] 。 211 土的类别对冻胀性的影响
上为含水量 ,也就是说土的冻前含水量决定着土的冻
胀性 。
在温度条件满足的前提下 ,当土的含水量超过一
定界限值后 ,土就会产生冻胀 ,此值称为其始冻胀含水
量 。随着含水量的增大 ,土的冻胀率 (单位冻结深度的
冻胀量) 增大 ,冻胀性增强 。在没有地下水补给的条件
下 ,土的含水量与冻胀率的关系为 :
η = (1109ρdΠ2ρw ) ( w - wp ) ≈ 018 ( w - wp )
5 结语
路基冻害对铁路运营影响很大 ,处理起来不仅费 用大 ,而且干扰行车 。因此 ,需要在设计阶段对季节性 冻土的分布 、冻胀性等进行详细勘察 ,在路基设计中根 据具体情况采取有效措施加以治理 。这样 ,运营后路
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1 地基土的ห้องสมุดไป่ตู้胀机理
地面下一定深度的土温随大气温度改变而改变 。 当地层温度降至摄氏零度以下 ,土体便会因土中水冻 结而形成冻土 。某些细粒土在冻结时 ,往往发生体积 膨胀 ,即所谓冻胀现象 。土体发生冻胀的机理 ,主要是 由于土层在冻结时 ,周围未冻区土中的水分向冻结区 迁移 、积聚所致 。当大气负温传入土中时 ,土中的自由 水首先冻结成冰晶体 ,弱结合水的最外层也开始冻结 , 使冰晶体逐渐扩大 ,于是冰晶体周围土粒的结合水膜 变薄 ,土粒产生剩余的分子引力 。另外 ,由于结合水膜 的变薄 ,使得水膜中的离子浓度增加 ,产生了渗附压 力 。在这两种引力的作用下 ,下卧未冻区水膜较厚处 的弱结合水便被吸到水膜较薄的冻结区 ,并参与冻结 , 使冻结区的冰晶体增大 ,而不平衡引力却继续存在 。 如果下卧未冻区存在着水源 (如地下水位距冻结深度 很近) 及适当的水源补给通道 (即毛细通道) ,能继续不 断地补充到冻结区来 ,那么 ,未冻结区的水分 (包括弱 结合水和自由水) 就会继续向冻结区迁移和积聚 ,使冰 晶体不断扩大 ,在土层中形成冰夹层 ,土体随之发生隆 起 ,出现冻胀现象 。当土层解冻时 ,土中积聚的冰晶体
在不同行业的工程项目中 ,冻胀性分级宜在遵循 国标《冻土工程地质勘察规范》的原则下 ,按照各行业 规范进行 。
4 路基冻害分析及治理措施
路基冻害的治理应从分析地基土冻胀性的主要因
素入手 ,找出控制冻害产生的主要因素 ,并根据实际情 况采取不同的治理措施 。
对季节性冻土地段的铁路路基 ,当路基面以下一 定深度范围内地基土为粉黏粒质量 ≤15 %的粗颗粒土 或粉黏粒质量 ≤10 %的细砂时 ,地基土的冻胀率很小 , 可不考虑其冻胀危害 ,也不需要采取措施 。这里的“一 定深度”与当地的最大冻结深度有关 ,一般可取最大冻 结深度的 60 %～95 %[4] 。
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铁 道 建 筑 Railway Engineering
April ,2009
文章编号 :100321995 (2009) 0420098204
采用预应力锚索桩防护路堑陡坡施工技术
于景臣1 ,张昌海2 ,张 冰1
(1. 哈尔滨铁道职业技术学院 ,哈尔滨 150086 ; 21 中铁四局 六公司 ,安徽 芜湖 241000)
摘要 :在介绍地基土冻胀机理的基础上 ,对影响地基土冻胀性的主要因素进行了详细的分析 ,并据此对 季节性冻土地段铁路路基的冻害情况进行分析 ,提出了具体的治理措施 。 关键词 :季节性冻土 冻胀性分析 铁路路基冻害 治理措施 中图分类号 :U216141 + 7 ; U41611 + 68 文献标识码 :B
1 工程概况
渝 怀 铁 路 线 为 国 家 西 部 开 发 重 点 铁 路 项 目 , DK483 + 886～DK484 + 058 段属深路堑陡坡工点 ,路堑 最大开挖深度 1915 m ,线路左侧挡护设计为锚固桩加 重力式路堑挡土墙和预应力锚索桩加土钉墙 。其中 13 # ～22 # 桩设计为锚索桩 , 最大桩径 2175 m ×3125 m ,最大桩长 2915 m。锚索共 27 束 ,最长 3215 m ,钻孔 直径 <115 mm ,锚索与水平方向成 15°角 ,锚索采用高 强度 、Ⅱ级松弛 <1512 mm 钢绞线制作 ,钢绞线抗拉强 度 Rb = 1 860 kPa ,单孔锚索为 6 束 ,采用 OVM 型 6 孔 锚具 。设计在 M125 、M228 、M324 三个锚索中安装 GMS 锚 索测力计 。线路左侧防护见图 1 。
地下水对土的冻胀性的影响与各类土毛细水高度
有关 。当地下水位低于某一临界深度时 ,可不考虑其
对土的冻胀性的影响 ,仅考虑土中含水量的影响 ,此时
为一封闭系统 。当地下水位高于某一临界深度时 ,由
于毛细水的作用 ,地下水会随着土中水的冻结不断向
土中补充水分 ,从而大大增强土的冻胀性 ,此时为一开
放系统 ,既要考虑土中含水量的影响 ,还要考虑地下水
土的冻胀性与土颗粒的粒径 、矿物成分等因素有 关 ,不同类别的土发生冻胀的敏感程度不同 ,这是冻胀 的内因 。
现在普遍认为 ,易于形成冻胀机制的颗粒尺寸范 围为 01005～01050 mm。在这一范围内 ,一般随着颗粒 粒径减少和分散性增大 ,土的冻胀性增大 。因此 ,当 粉 、黏土颗粒增多时 ,土的冻胀性显著增大 。各类土冻 胀性的强弱一般按下列顺序递减 :黏性土 > 粉土 > 粉 砂 > 粉黏粒质量大于 10 %的细砂 > 粉黏粒质量大于 15 %的粗颗粒土 (包括碎石类土 、砾 、粗 、中砂) 。其中 , 粗颗粒土的冻胀性主要取决于粉黏粒含量 。当粗颗粒 土粉黏粒质量 ≤15 %时属于不冻胀土 ,当碎石类土中 充填物大于全部质量的 40 %时 ,其冻胀性按充填物土 的类别判定 。
当路基面以下一定深度范围内地基土不符合以上 要求时 ,要根据其冻胀性和地下水位情况具体分析冻 害原因 ,采取不同的治理措施 。一般可分为以下几种 情况 。
1) 地下水较深且地基土冻胀等级为 Ⅰ级或 Ⅱ级 时 ,地基土的冻胀量较小 ,不足以对路基产生破坏 。但 是 ,当地基土的含水量增大后 ,其冻胀量会增加 ,冻胀 等级会提高 ,产生的冻胀力就会对路基产生破坏 。当 地下水较深时 ,地表地基土含水量增大一般是由于雨 水或雪水等下渗引起的 。比如 ,每年冬春交替时 ,路基 上的冰雪在白天慢慢融化 ,下渗后路基上部土层含水 量就会逐渐增大 ,到晚上气温下降 ,地基土中的水冻 结 ,此时的冻胀量已经变大 ,从而破坏路基 。如此每日 反复 ,就会造成路基翻浆冒泥 、道砟陷槽 。因此 ,针对 这种情况 ,应该对路基基床土进行封闭 ,防止地面雨 水 、雪水下渗 ,同时加强路基排水 ,确保路基面以下一 定深度范围内地基土的含水量不会由于地表水下渗而 增大 。可以采取在基床表层范围内铺设复合土工膜隔 水的措施 ,以达到封闭的效果 。
另外 ,土中亲水性矿物含量较高时 ,土的冻胀性会 显著增大 。这是由于亲水性矿物吸水造成土的含水量 增加而引起的 。 212 土的冻前含水量对冻胀性的影响
土中液态水可分为结合水 、毛细水 、重力水 。其 中 ,毛细水和重力水也称为非结合水 。非结合水为自 由液态水 ,主要受重力作用的控制 ,在 0 ℃或稍低于 0 ℃时就冻结 。而结合水一般要在 - 1 ℃或更低的温度 下才冻结 。因此 ,土的冻胀主要是由于冻结前土中的
2) 地下水较深且地基土冻胀等级为 Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级 时 ,其冻胀量已经达到了能够破坏路基的程度 ,此时 , 应该挖除路基面以下一定深度范围内的地基土 ,换填 非冻胀土 。为防止换填后的非冻胀土含水量增加 、冻 胀等级提高 ,还要对路基基床土进行封闭 ,同时加强路 基排水 。
3) 当地下水较浅时 ,由于毛细水作用 ,地下水会给 路基面以下一定深度范围内的地基土不断补充水分 , 从而导致地基土的冻胀量不断增大 ,会对路基产生很 大的破坏作用 。此时 ,应该先采取降低地下水位的措 施 ,如设置盲沟等 ,再对路基基床土进行进行换填处 理 ,最后封闭路基面 ,同时加强路基排水 。
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2009 年第 4 期
季节性冻土路基冻胀性分析及治理措施
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非结合水冻融引起的 。非结合水反应在土的物理指标
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铁 道 建 筑 Railway Engineering
April ,2009
文章编号 :100321995 (2009) 0420096203
季节性冻土路基冻胀性分析及治理措施
钟敏辉1 ,王少斌2
(11 西延铁路公司 蒲城分公司 ,陕西 蒲城 715500 ; 21 中铁二院 西安公司 ,西安 710054)
摘要 :锚索桩作为深路堑或高路基陡坡防护措施 ,经过多年的实践和研究 ,先后解决了大孔径干钻施工 、 分两次张拉预应力锚索等关键技术 ,总结出了一套锚索桩施工的工艺和方法 ,并且在渝怀线铁路工程中 得到了应用 。 关键词 :路堑陡坡 预应力锚索桩 施工技术 中图分类号 :U41611 + 3 ; U41711 文献标识码 :B
2 大孔径干钻施工
设计锚索钻孔直径 <115 mm ,与水平方向成 15° 角 ,钻孔数量共 27 孔 ,最大钻孔深度 3215 m ,施工采用 干钻技术 。 211 地质情况
1) 线路左侧傍山通过 ,山势险峻 ,山体下伏以页岩 为主 ,页岩分层节理严重 ,遇水风化迅速 ,且岩层倾向
式中
,η为冻胀率
;
ρ d
为土的干密度
;
ρ w
为水的密度
;
w 为土的天然含水量 ; wp 为土的塑限含水量[223] 。
公式显示 ,冻胀率的大小取决于土的天然含水量
和塑限含水量 。对于某一特定性质的土 ,它的塑限含 水量 wp 是确定的 ,因此冻胀率的大小就主要由土的 天然含水量来控制 。
213 地下水位对冻胀性的影响
补给的影响 。
对于各类土 ,影响地基土冻胀性的地下水临界深
度 :黏土 、粉质黏土为 112～210 m ;粉土为 110～115 m ; 砂土为 015 m[3] 。
3 季节性冻土的冻胀性分级
目前 ,对季节性冻土的冻胀性一般根据土的类别 、 天然含水量 、地下水位和平均冻胀率等进行分级 ,但在 不同规范中 ,分级方法有所不同 ,分级指标也有差异 。 例如 :在《公路桥涵地基与基础设计规范》中把地基土 的冻胀性分为冻胀 、不冻胀两级 ;在《工业与民用建筑 地基基础设计规范》中把地基土的冻胀性分为不冻胀 、 弱冻胀 、冻胀 、强冻胀四级 ;而在《冻土工程地质勘察规 范》《、水工建筑物抗冰冻设计规范》《、铁路工程特殊岩 土勘察规程》及《铁路特殊路基设计规范》等规范中把 地基土的冻胀性分为不冻胀 ( Ⅰ级) 、弱冻胀 ( Ⅱ级) 、冻 胀 ( Ⅲ级) 、强冻胀 ( Ⅳ级) 、特强冻胀 ( Ⅴ级) 五级 。